Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Представлен новый метод обеспечения эффективного взаимодействия между фотонами

Представлен новый метод обеспечения эффективного взаимодействия между фотонами
Представлен новый метод обеспечения эффективного взаимодействия между фотонами

Фотоны, частицы, представляющие собой квант света, показали большой потенциал для развития новых квантовых технологий. В частности, физики изучают возможность создания фотонных кубитов (квантовых единиц информации), которые можно передавать на большие расстояния с помощью фотонов.

Несмотря на некоторые многообещающие результаты, необходимо преодолеть несколько препятствий, прежде чем фотонные кубиты можно будет успешно реализовать в больших масштабах. Например, известно, что фотоны подвержены потерям при распространении (т. е. потере энергии, излучения или сигналов при перемещении из одной точки в другую) и не взаимодействуют друг с другом.

Исследователи из Копенгагенского университета в Дании, Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC в Испании и Рурского университета Бохума в Германии недавно разработали стратегию, которая может помочь преодолеть одну из этих проблем, а именно отсутствие фотон-фотонного взаимодействия. Их метод, представленный в статье, опубликованной в Nature Physics , может в конечном итоге помочь в разработке более сложных квантовых устройств.

«Мы работали над детерминированным сопряжением одиночных квантовых излучателей (квантовых точек) с одиночными фотонами более 15 лет и разработали очень мощный метод, основанный на нанофотонных волноводах », — сказал Питер Лодаль, один из исследователей, проводивших исследование. «Обычно мы применяли эти устройства для детерминированных однофотонных источников и источников многофотонной запутанности, но другим возможным применением было бы инициирование нелинейных операций с фотонами».

Лодаль и его коллеги осуществили первую демонстрацию концепции нелинейных операций с использованием отдельных фотонов еще в 2015 году. Однако при дальнейшем исследовании этого эффекта они столкнулись с трудностями в полном понимании фундаментальной физики , лежащей в основе этого сложного, однофотонного и нелинейного взаимодействие.

«В нашей предыдущей работе мы обнаружили, что физика, управляющая нелинейным взаимодействием импульсов света, была удивительно богатой и открыла новые возможности для создания фотонных квантовых вентилей и сортировщиков фотонов», — сказал Лодаль. «Мы провели первое экспериментальное исследование нелинейных квантовых импульсов, подвергающихся нелинейному взаимодействию из-за связи с детерминистически связанным квантовым излучателем».

В своем новом эксперименте исследователи использовали эффективную и когерентную связь одиночного квантового излучателя с нанофотонным волноводом, чтобы обеспечить нелинейное квантовое взаимодействие между однофотонными волновыми пакетами. Для этого они использовали одну квантовую точку, частицу размером в нанометр, которая ведет себя как двухуровневый атом, которая была встроена в фотонно-кристаллический волновод.

«В таких системах связь является детерминированной, так что даже один фотон, запущенный в волновод, взаимодействует с квантовой точкой», — объяснил Лодаль. «Отправка импульсов, содержащих два или более фотонов, вызывает квантовые корреляции, поскольку только один фотон за раз может взаимодействовать с квантовой точкой. Управляя длительностью квантового импульса, мы можем настроить эти корреляции и взаимодействие между фотонами».

Используя свой экспериментальный метод, Лодаль и его коллеги, по сути, смогли управлять фотоном, используя второй фотон, который был опосредован их квантовым излучателем. Другими словами, они успешно реализовали нелинейное фотон-фотонное взаимодействие.

«Мы разработали метод, позволяющий фотонам эффективно взаимодействовать друг с другом посредством связи с квантовыми точками », — сказал Лодаль. «Мы думаем, что это может открыть новые направления для создания фотон-фотонных квантовых вентилей (что является сложным вентилем в фотонных квантовых вычислениях) или детерминированных устройств сортировки фотонов, которые необходимы, например, для квантовых повторителей».

Новая стратегия, представленная этой группой исследователей, может иметь важные последствия как для исследований в области квантовой физики, так и для развития квантовых технологий. Например, их метод может открыть новые возможности для разработки квантово-оптических устройств, а также позволит физикам экспериментировать с адаптированными сложными фотонными квантовыми состояниями.

«У нас есть ряд мероприятий, которые расширяют настоящую работу», — сказала Phys.org Ханна Ле Жанник, другой исследователь, участвовавший в исследовании. «На фундаментальном уровне мы пытаемся глубже понять, как на квантовые состояния света влияет путешествие через одну квантовую точку. Но мы также уже предвидим применение этого квантового взаимодействия».

В настоящее время Лодаль, Ле Жанник и их коллеги пытаются использовать нелинейное фотон-фотонное взаимодействие, реализованное в их недавнем исследовании, для моделирования колебательной динамики молекул. Этого можно было бы достичь, сопоставив колебательную динамику сложных молекул с распространением фотонов в усовершенствованных фотонных схемах.

Теги: квант, фотон

В тренде